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1、第第5 5章章 压力检测技术压力检测技术 5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 弹性压力检测技术弹性压力检测技术 5.3 5.3 电阻式传感器及其在压力检测中的应用电阻式传感器及其在压力检测中的应用 5.4 5.4 电容式传感器及其在压力检测中的应用电容式传感器及其在压力检测中的应用 5.5 5.5 压电式传感器及其在压力检测中的应用压电式传感器及其在压力检测中的应用 5.6 5.6 电感式传感器及其在压力检测中的应用电感式传感器及其在压力检测中的应用 5.7 5.7 其它压力传感器的应用其它压力传感器的应用 5.8 5.8 压力检测仪表的使用与校准压力检测仪表的使用与校准内容提要 在本章
2、中，通过对压力检测方法的分析，引出弹性压力检测技术，介绍了弹性元件的结构、外形和测压原理，为重点介绍压力的电测技术奠定基础。通过本章学习，掌握电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器和压电式传感器的结构特性和工作原理，学会它们在压力检测中的应用。5.1 概述概述5.1.1 5.1.1 压力的概念及单位压力的概念及单位压力：是指一定介质垂直作用于单位面积上的力。压力的表示方法：绝对压力、表压力、负压力或真空度。绝对压力：是指被测介质作用在单位面积上的全部压力，用PA表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。大气压力：地面上的空气柱所产生的平均压力，用P0表示。用来测量大气压力的仪表叫气压表。绝
3、对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。即 PIPAP0 （5-1）当绝对压力值PA小于大气压力值P0时，表压力为负值，所测值称为负压力或称真空压，它的绝对值称为真空度。图5-1 各种压力之间的关系压力的单位压力的单位压力在国际单位制中的单位是牛顿/平方米（N/m2），通常称为帕斯卡或简称帕（Pa）。工业上一般采用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作为压力的单位。多种压力单位换算关系如下：1帕（Pa）1牛顿/平方米（N/m2）1巴（bar）1达因/平方厘米（dyn/cm2）105Pa1工程大气压1干克力/平方厘米（kgf/cm2）98kPa 1标准大气压760毫米水银柱101325Pa 1毫米
4、水银柱133.322Pa 1毫米水柱9.80665Pa真空度测量中常以“托”（Torr）为单位，1托（Torr）l毫米水银柱。5.1.2 压力检测的方法压力检测的方法根据不同工作原理分为如下几种：（1 1）重力平衡方法）重力平衡方法利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。例如液柱式压力计和活塞式压力计。（2 2）弹性力平衡方法）弹性力平衡方法 利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位移变形的大小测出被测压力。5.1.2 压力检测的方法压力检测的方法（3
5、 3）机械力平衡方法）机械力平衡方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。（4 4）物性测量方法）物性测量方法利用敏感元件在压力的作用下，其某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。5.1.3 常用压力检测仪表常用压力检测仪表1.1.液柱式压力计液柱式压力计以流体静力学原理为基础。一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量图5-2 液柱式压力计2.2.弹性压力计弹性压力计图5-3 弹性压力计组成框图5.
6、2 5.2 弹性压力检测技术弹性压力检测技术5.2.1 5.2.1 弹性敏感器弹性敏感器5.2.2 5.2.2 机械式弹簧管压力表机械式弹簧管压力表5.2.1 弹性压力敏感器弹性压力敏感器1.1.弹性压力敏感器弹性压力敏感器弹性压力传感器：压力变化压力变化位移变化位移变化电量变化常见的弹性压力敏感器有：弹簧管 波纹管 膜片弹簧管式波纹管式单圈弹簧管多圈弹簧管波纹管测量范围0981MPa测量范围098.1MPa测量范围00.981MPa薄膜式平薄膜波纹膜挠性膜测量范围098.1MPa测量范围00.981MPa测量范围00.0981MPa2.弹性元件的外形与测压原理弹性元件的外形与测压原理（1 1
7、）弹簧管）弹簧管 压力压力 弹簧管自由端角位移弹簧管自由端角位移（a）C型弹簧管结构 （b）弹簧管的截面形状 图5-4 C型弹簧管 在一定压力范围内，弹簧管自由端产生位移量d与压力P成正比，即 （2）波纹管）波纹管波纹管是一种带同心环状波形皱纹的薄壁圆管，一端开口，另一端封闭，将开口端固定，封闭端处于自由状态，如图5-5所示。图5-5 波纹管 在通入一定压力的流体后，波纹管将伸长，在一定压力范围内伸长量即自由端位移y与压力P成正比，即（3）膜片与膜盒）膜片与膜盒膜片是用金属或非金属制成的圆形薄片。（a）：断面是平的，称为平膜片；（b）：断面呈波纹状，称为波纹膜片；（c）：两个膜片边缘对焊起来，
8、构成膜盒；（d）：几个膜盒连接起来，组成膜盒组。5.2.2 5.2.2 机械式弹簧管压力表机械式弹簧管压力表1.1.机械式弹簧管压力机械式弹簧管压力 图5-7 弹簧管压力表1弹簧管；2拉杆；3扇形齿轮；4中心齿轮；5指针6面板；7游丝；8调整螺钉（或滑销）；9接头2.2.弹簧管材料及压力表色标弹簧管材料及压力表色标弹簧管的材料是根据被测介质的化学性质和被测压力的高低来决定的。当压力P20MPa时采用磷青铜材料，当压力P20MPa时采用不锈钢或合金钢材料。当测量氨气压力时，必须采用能够耐腐蚀的不锈钢弹簧管；测量乙炔压力时，不得用铜质材料弹簧管；测量氧气压力时，则严禁沾有油脂的工艺管道设备，否则将
9、有爆炸危险。压力表的外壳一般均涂有不同的色标，来表示该表所适用的介质类型。5.3 电阻式传感器及其在压力检测中的应用电阻式传感器及其在压力检测中的应用5.3.1 电电阻阻应应变变式式传传感感器器及及其其在在压压力力检检测测中的应用中的应用5.3.2 压压阻阻式式传传感感器器及及其其在在压压力力检检测测中中的的应用应用5.3.1 电阻应变式传感器及其在压力检测中的应用电阻应变式传感器及其在压力检测中的应用电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应：应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化。设有一根金属丝，其电阻率为，长度为l，截面积为S在未受力时电阻值为：金
10、属丝在沿轴线方向的拉力作用下：将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率因材料也相应发生改变了，从而引起电阻值变化量为：电阻相对变化量：令：金属丝的轴向应变金属丝的径向应变 dS/S圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dS=2r dr，则 材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为 为电阻丝材料的泊松比定义：电阻丝的灵敏系数（2）应变片的材料及结构）应变片的材料及结构1 1）应变片的材料）应变片的材料金属丝材料：适用于300以下静态测量用的康铜、铜镍合金；适用于450以下的静态测量或800以下的动态测量用的镍铬合金、镍铬铝
11、合金等。电阻值一般为120、200或300。半导体应变片的材料：有硅、锗、锑化铟、磷化镓、砷化镓等，其中硅和锗的压阻效应显著，因此使用较多。2）应变片的结构）应变片的结构 （a）应变片的结构 常用应变片的形式常用应变片的形式(续)图5-8 应变片结构与形式1金属丝；2金属箔；3半导体；4基底（3）电阻应变式传感器的测量电路）电阻应变式传感器的测量电路一般常采用桥式测量电路 9半桥差动电路R1+R1R2-R29全桥差动电路R1+R1R2-R2R4+R4R3-R32.电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器（a）圆膜片 （b）梁型 （c）应变筒式 （d）测量电路图5-11 应变式压力传感器的外形、
12、结构及电桥式测量电路示意图（1）柱式）柱式2、环式结构、环式结构 图 悬臂梁(a)等截面梁;(b)等强度梁（3）梁式）梁式各种悬臂梁 电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一应变式加速度传感器5.3.2 压阻式传感器及其在压力检测中的应用压阻式传感器及其在压力检测中的应用利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术1.压阻效应压阻效应单晶硅材料在受到力的作用后，其电阻率将随单晶硅材料在受到力的作用后，其电阻率将随作用力而变化，这种物理现象称为压阻效应。作用力而变化，这种物理现象称为压阻效应。半导体材料电阻的变化率RR主要
13、由引起，即取决于半导体材料的压阻效应，所以可以用下式表示式中，L压阻系数；应力；半导体材料的电阻率。2.压阻式压力传感器压阻式压力传感器图5-12 压阻式压力传感器 小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器5.4 电容式传感器及其在压力检测中的应用电容式传感器及其在压力检测中的应用5.4.1 电容式传感器电容式传感器5.4.2 电容式传感器在压力检测中的应用电容式传感器在压力检测中的应用4.1 电容式传感器1.电容式传感器的工作机理电容式传感器的工作机理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器。如果不考虑边缘效应，其电容量为 （5-9）
14、式中，S为两平行极板所覆盖的面积；d为两平行极板之间距离；为电容极板间的介电常数。图5-13 平板电容器同心圆柱电容式传感器同心圆柱电容式传感器D0D1La圆柱形电容式线位移传感器圆柱形电容式线位移传感器变面积型电容传感器原理图(1)变面积型电容传感器变面积型电容传感器电容式角位移传感器原理图 动片动片定片定片变介质型电容式传感器(2)变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器 电容式液位变换器结构原理图 电容的增量正比于被测液位高度，可测量一种流体的液位高度（3）变极距型电容传感器）变极距型电容传感器图 变极距型电容式传感器 利用级数展开得利用级数展开得电容量与极距关系电容量与极距关系2.电容
15、式传感器测量电路电容式传感器测量电路图5-14 双T桥电路运算放大器式电路原理图（2）运算放大器式测量电路）运算放大器式测量电路（3）脉冲宽度调制电路）脉冲宽度调制电路图图图图5-16 5-16 5-16 5-16 差动差动差动差动脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A1tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0（4）调频电路调频电路图5-17 调频-鉴频电原理图三、影响电
16、容式传感器精度的因素分析三、影响电容式传感器精度的因素分析1.温度的影响2.边缘效应3.寄生参数的影响+-例例例例 电容测厚传感器在板材轧制装电容测厚传感器在板材轧制装电容测厚传感器在板材轧制装电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用置中的应用置中的应用置中的应用a)a)测振幅测振幅b)b)测轴回转精度和轴心偏摆测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器湿度测量湿度测量当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。HM1500湿度传感器5.5 压电式传感器及其在压力检测中的应用压电式传感器及其在压力检测中的应用5.5.1
17、压电效应压电效应5.5.2 压电式压力传感器的应用压电式压力传感器的应用压电效应压电效应压电效应:当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时,会产生变形,此时这种物质的两个表面将产生符号相反的电荷.当外力去掉后,它又重新回到不带电状态.顺压电效应:Q=dF Q：压电材料某表面的电荷量 d:压电系数 F：外力 逆压电效应:5.5.1 压电效应压电效应图5-21 压电式压力传感器5.6 电感式传感器及其在压力检测中的应用电感式传感器及其在压力检测中的应用5.6.1 电感式传感器的工作机理电感式传感器的工作机理5.6.2 电电感感式式传传感感器器在在弹弹性性压压力力检检测测中中的的应用应用电感式传感器电感
18、式传感器电感式传感器电感式传感器电磁电磁感应感应 被测非电量被测非电量自感系数自感系数L L互感系数互感系数MM测量测量电路电路 U U、I I、f f自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器互感式传感器互感式传感器互感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器5.6 电感式传感器及其在压力检测中的应用电感式传感器及其在压力检测中的应用5.6.1 电感式传感器的工作机理电感式传感器的工作机理5.6.2 电感式传感器在弹性压力检测中的应用电感式传感器在弹性压力检测中的应用5.6.1 电感式传感器的工作机理电感式传感器的工作机理1.自感式电感传感器自感式电
19、感传感器（1）工作原理）工作原理（a）变间隙型）变间隙型 （b）变面积型）变面积型图图5-22 自感传感器原理自感传感器原理根据对电感的定义，线圈中电感量可由下式确定：式中：线圈总磁链；I通过线圈的电流；W线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得：式中,Rm为磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为 式中：1铁芯材料的导磁率；2衔铁材料的导磁率；l1磁通通过铁芯的长度；l2磁通通过衔铁的长度；S1铁芯的截面积；S2衔铁的截面积；0空气的导磁率；S0气隙的截面积；气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即 总结：总
20、结：如果S不变，则L ，变间隙式 如果 不变，则L S ，变面积式差动变间隙式电感传感器差动变间隙式电感传感器（2）自感式电感传感器的测量电路）自感式电感传感器的测量电路（a）双臂采用纯电阻（b）双臂采用变压器的二次侧绕组（c）双臂采用紧耦合电感线圈图5-23 交流电桥的几种常用形式（2）自感式电感传感器的测量电路）自感式电感传感器的测量电路（b）双臂采用变压器的二次侧绕组图5-23 交流电桥的几种常用形式2.互感式传感器（差动变压器）互感式传感器（差动变压器）将被测量的变化转换为互感系数（互感系数（M）变化的传感器称为互感传感器。由于互感传感器的本质是一个变压器，又常常做成差动形式，所以又把
21、互感传感器称为差动变压器差动变压器。（1）差动变压器的结构类型（a）衔铁平板式 （b）螺管式 （c）转角式图5-24 互感传感器结构（2）差动变压器的工作原理）差动变压器的工作原理当次级开路时，初级绕组的交流电流为：当次级开路时，初级绕组的交流电流为：次级绕组的感应电动势为：次级绕组的感应电动势为：由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为其有效值为其有效值为 铁芯处于中间位置时，铁芯处于中间位置时，MM1 1=M M2 2=MM，U U0 0=0=0 铁芯上升时，铁芯上升时，MM1 1=M M+MM，MM2 2=M M-MM 铁芯下降时，铁芯下降
22、时，MM1 1=M M-MM，MM2 2=M M+MM与与U U1 1同极性同极性与与U U2 2同极性同极性 图5-26 差动变压器的输出特性5.6.2 电感式传感器在弹性压力检测中的应用电感式传感器在弹性压力检测中的应用1.自感式传感器在弹性压力检测中的应用自感式传感器在弹性压力检测中的应用图5-27 电感式弹性压力传感器2.差动变压器在弹性压力检测中的应用差动变压器在弹性压力检测中的应用图5-28 差动变压器式弹性压力传感器5.7 其它压力传感器的应用其它压力传感器的应用5.7.1 霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器5.7.2 谐振式压力传感器谐振式压力传感器5.7.3 智能压力传感器接口
23、芯片及其应用智能压力传感器接口芯片及其应用5.7.1 霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器测压的实质是利用霍尔片实现压力-位移-霍尔电势的转换。霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成。图5-29 霍尔式压力传感器1弹簧管；2磁钢；3霍尔片5.8 压力检测仪表的使用与校准压力检测仪表的使用与校准5.8.1 压力仪表的选择与安装压力仪表的选择与安装5.8.2 压力检测仪表的校准压力检测仪表的校准思考题与习题思考题与习题1按照结构特点分类，压力传感器分为哪几类？各有何特点?2应用较广的半导体应变片分为哪几类？有何特点？3压力传感器的驱动电路有哪几种驱动方式？各有何特点?4试说明压力传感器对于失调电压和电压范围的温度补偿方式。5试分析图4-34的压力传感器的接口电路的工作特点。6如何选择压力传感器？应注意哪些参数？